一個(gè)出色的硬件工程師必備的六項(xiàng)基本能力
對(duì)于很多硬件工程師而言，每天都在忙活著手頭上的工作，但是有時(shí)候并不知道自己的水平去到哪里，也不知道怎樣提高，這在這個(gè)瞬息萬變的社會(huì)里面，其實(shí)有點(diǎn)危險(xiǎn)!畢竟我們這些憑手藝吃飯的人不像某些尸位素餐的某猿，是跟不上潮流就會(huì)被淘汰的。所以就算我們不能成為最TOP的那個(gè)，也力爭(zhēng)成為排在前面的那一批人。
但我們工程師怎樣成為最TOP呢?該怎么學(xué)習(xí)呢?
根據(jù)我們從小受到的教育中我們知道，這首先要求我們對(duì)于知識(shí)要理解透徹，越深入越好，對(duì)于任何一個(gè)知識(shí)點(diǎn)，通過基本公式，用數(shù)學(xué)工具推導(dǎo)到最后來驗(yàn)證高級(jí)定律和公式。我想對(duì)于這一點(diǎn)，高考物理是達(dá)到了極點(diǎn)，高中物理知識(shí)其實(shí)不難，但是我們?yōu)榱诉x拔的目的，把物理各種定律糅合在一起，結(jié)合一些腦筋急轉(zhuǎn)彎，復(fù)雜的運(yùn)算，造成高考物理是最難的科目了。
但如果我們拿著解高考物理難題的精神來解決硬件問題，當(dāng)然精神可嘉，工作之余還是值得鼓勵(lì)這種學(xué)習(xí)和探索精神的;可是這樣對(duì)于項(xiàng)目開發(fā)卻是沒有多少好處，畢竟硬件工程師的工作是工程開發(fā)，在規(guī)定的時(shí)間和預(yù)算之內(nèi)完成硬件項(xiàng)目，而不是你在這個(gè)時(shí)間呢自己推導(dǎo)出來了什么公式和計(jì)算結(jié)果，那是科學(xué)家的工作，那是Research的工作。
工程開發(fā)一個(gè)重要特點(diǎn)就是“踩在前人的足跡”，就是通過過去幾十上百年的工程實(shí)踐，對(duì)于各種情況有了很多經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)方法，比如對(duì)于PCB layout來說，基本上每個(gè)公司都有自己的design guidelines/check list，這就是公司在過去很多項(xiàng)目中總結(jié)出來的，每一條可以說都付出了“血”的代價(jià)，這是對(duì)于板級(jí)設(shè)計(jì)來說了;對(duì)于核心芯片和器件，就更是如此了，芯片或器件公司幾十?dāng)?shù)百人歷時(shí)數(shù)年搞出來的一款芯片和器件，又豈是你通過幾百頁(yè)datasheet可以徹底理解的。
大多數(shù)情況下，知道主要接口，參數(shù)，功能和性能就足夠了，尤其是芯片/器件公司提供的design guidelines或者application notes，里面一般都是芯片/器件工程師的肺腑之言，經(jīng)驗(yàn)之談，一般來說沒有個(gè)十年二十年工作經(jīng)驗(yàn)的工程師是寫不了這些東西的。
看起來雖然很簡(jiǎn)單，看起來像是廢話，但是細(xì)細(xì)分析，結(jié)合電路定理和電磁定律，略微分析，就會(huì)發(fā)現(xiàn)簡(jiǎn)直字字珠璣。剛畢業(yè)的好學(xué)生(一般來說學(xué)習(xí)好，喜歡啃難題，學(xué)習(xí)能力強(qiáng)，求知欲強(qiáng))初干硬件設(shè)計(jì)，就會(huì)發(fā)現(xiàn)涉及的知識(shí)點(diǎn)和技術(shù)要點(diǎn)太多了，如果這個(gè)知識(shí)點(diǎn)想要理解透徹，那個(gè)知識(shí)點(diǎn)也要理解透徹，會(huì)發(fā)現(xiàn)一天24小時(shí)根本不夠用，但是對(duì)不起，公司請(qǐng)你過來不是讓你學(xué)習(xí)的，是要干硬件設(shè)計(jì)的，過一個(gè)月就要見原理圖了，你還在這捧著OrCAD手冊(cè)一個(gè)命令一個(gè)命令學(xué)習(xí)OrCAD使用技巧，研究為啥要有串行電阻呢，研究這個(gè)電容是取0.1uF還是0.01uF.。
有求知欲是好事，但是那是在工作之余，項(xiàng)目之余，虛心向前輩學(xué)習(xí)，盡量利用各種design guidelines，盡快完成設(shè)計(jì)工作，記錄自己的知識(shí)缺點(diǎn)，在業(yè)余時(shí)間努力學(xué)習(xí)，理解透徹，通過設(shè)計(jì)驗(yàn)證/測(cè)試，加深對(duì)于知識(shí)點(diǎn)的了解，這才是正確的工作方法。
我在剛畢業(yè)的時(shí)候欣喜的發(fā)現(xiàn)傳輸線理論太重要了，遂花了一個(gè)月把傳輸線理論努力了一把，并推導(dǎo)了大量公式進(jìn)行驗(yàn)證，其實(shí)總結(jié)起來就是幾句話，阻抗匹配，如果接收端阻抗大于發(fā)送端，信號(hào)會(huì)怎么樣;如果小于，信號(hào)會(huì)怎么樣;如果開路，會(huì)怎么樣;如果短路，會(huì)怎么樣，這幾條基本每本信號(hào)完整性的書上都會(huì)介紹，也不會(huì)有很復(fù)雜的數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)，知道就行了，然后就是如何平衡發(fā)射端的阻抗，串行電阻，PCB阻抗，匹配阻抗等等，都是簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)公式。
所以說，對(duì)于求知欲特別強(qiáng)的人(比如我)，有時(shí)候一定要學(xué)會(huì)“淺嘗輒止”，充分利用前輩經(jīng)驗(yàn)，避免陷入技術(shù)的誤區(qū)，比如放著公式不用，非得自己用二重積分推導(dǎo)一遍。硬件開發(fā)最主要的特點(diǎn)就是“廣博”，什么東西都要知道，一個(gè)好的硬件工程師就要什么都要懂一點(diǎn)，當(dāng)然對(duì)于某些方面能夠深入一些到原理層次就更好了。
關(guān)于硬件設(shè)計(jì)的各種技術(shù)/標(biāo)準(zhǔn)/芯片/器件都要知道，需要的時(shí)候，能夠信手拈來，功能性能，參數(shù)特性，優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)。
那一個(gè)好的硬件工程師應(yīng)該具備哪些基本知識(shí)和能力呢?
1. 快速學(xué)習(xí)的能力：
作為一個(gè)通信汪，我就以通信設(shè)備方面來說吧!
一方面，通信技術(shù)，標(biāo)準(zhǔn)，芯片更新的太快了，快到你根本來不及系統(tǒng)的了解它，只能通過特定的項(xiàng)目，需求進(jìn)行了解;另一方面對(duì)于公司來說，需要做的硬件產(chǎn)品也是變化很快，客戶需要T1， E1， PDH， SDH，Ethernet， VoIP， Switch， Router， 沒有人是什么都懂的，都需要能夠結(jié)合客戶的需求，選擇的芯片方案進(jìn)行詳細(xì)了解，尤其對(duì)于接口協(xié)議和電氣特性。
假設(shè)你是做電源的，同理，你也需要對(duì)電源相關(guān)的知識(shí)和客戶的需求進(jìn)行深入的理解和學(xué)習(xí)吧?
2. 對(duì)協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)的理解：繼續(xù)用通信設(shè)備做代表。
通信設(shè)備，顧名思義，就是用來實(shí)現(xiàn)多種通信協(xié)議(比如T1， E1， V.35，PDH， SDH/SONET， ATM， USB， VoIP， WiFi， Ethernet， TCP/IP，RS232等等常用協(xié)議)實(shí)現(xiàn)通信的設(shè)備，各種電路，PCB板，電源都是為了通信協(xié)議服務(wù)的。
通信協(xié)議一般都是由芯片實(shí)現(xiàn)，要么是成熟的 ASIC，要么是自己開發(fā)的FPGA/CPLD，芯片工程師或者FPGA工程師比硬件工程師跟靠近通信協(xié)議，他們需要對(duì)于通信協(xié)議理解很透徹，實(shí)現(xiàn)各種邏輯上的狀態(tài)機(jī)以及滿足協(xié)議規(guī)定的電氣參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)。按照OSI的七層模型，硬件工程師尤其需要專注于一層物理層和二層數(shù)據(jù)鏈路層的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，以 Ethernet距離，物理層是由
PHY/transceiver芯片完成，數(shù)據(jù)鏈路層是由MAC/switch 芯片完成，對(duì)于從事Ethernet相關(guān)開發(fā)的硬件工程師來說，需要對(duì)于PHY和Switch芯片理解透徹，從編碼方式，電氣參數(shù)，眼圖標(biāo)準(zhǔn)，模板，信號(hào)頻率到幀格式，轉(zhuǎn)發(fā)處理邏輯，VLAN等等。
對(duì)于傳統(tǒng)PDH/SDH/SONET設(shè)備就更是如此，PDH/SDH/SONET是更硬件的設(shè)備，就是說主要協(xié)議都是通過ASIC實(shí)現(xiàn)的，軟件的功能主要是管理，配置，監(jiān)視，告警，性能，對(duì)于硬件工程師來說，必須要熟悉使用的相關(guān)協(xié)議和接口標(biāo)準(zhǔn)，尤其對(duì)于電氣規(guī)范，眼圖模板，這樣在設(shè)計(jì)驗(yàn)證的時(shí)候才能胸有成竹。
如果你做智能家居的，你對(duì)藍(lán)牙、WIFI、Zigbee的新標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該要深入了解吧，各自的優(yōu)劣勢(shì)也應(yīng)該了如指掌吧，最新的標(biāo)準(zhǔn)有啥提升和缺點(diǎn)也可以信手拈來，說不定這樣你就能做出符合消費(fèi)者需求的全新產(chǎn)品呢!也指不定在跳槽的時(shí)候，因?yàn)槟阏莆樟艘粋(gè)別人還沒有了解的技術(shù)，而獲得成功呢!
3. 寫文檔的能力：
誠(chéng)如軟件設(shè)計(jì)一樣，好的軟件設(shè)計(jì)需要好的設(shè)計(jì)文檔，明確需求，實(shí)現(xiàn)什么功能，達(dá)到什么驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，隨著芯片集成度的增加，接口速率的提高，單板復(fù)雜度的提高，硬件設(shè)計(jì)也越來越復(fù)雜以及對(duì)應(yīng)熱穩(wěn)定性，可靠性，電磁兼容，環(huán)境保護(hù)的要求，已經(jīng)不是通過小米加步木。倉(cāng)的游擊戰(zhàn)可以解決了，每一個(gè)硬件項(xiàng)目都是一場(chǎng)戰(zhàn)爭(zhēng)，都需要好好的規(guī)劃，好好的分析，這就需要好好做文檔。
對(duì)于硬件工程師來說，最重要的文檔有兩個(gè)：一個(gè)是硬件設(shè)計(jì)規(guī)范(HDS ： hardware design specification)和硬件測(cè)試報(bào)告(一般叫EVT：Engineering Validation& Test report或者DVT： Design Validation & Test report)，對(duì)于HDS的要求是內(nèi)容詳實(shí)，明確，主芯片的選擇/硬件初始化，CPU的選擇和初始化，接口芯片的選擇/初始化/管理，各芯片之間連接關(guān)系框圖(Block Diagram)，DRAM類型/大小/速度，F(xiàn)LASH類型/大小/速度，片選，中斷，GPIO的定義，復(fù)位邏輯和拓?fù)鋱D，時(shí)鐘/晶振選擇/拓?fù)，RTC的使用，內(nèi)存映射(Memory map)關(guān)系， I2C器件選擇/拓?fù)洌涌谄骷?線序定義，LED的大小/顏色/驅(qū)動(dòng)，散熱片，風(fēng)扇，JTAG，電源拓?fù)?時(shí)序/電路等等。
對(duì)于DVT來說，要求很簡(jiǎn)單也很復(fù)雜：板卡上有什么接口，芯片，主要器件，電路，就要測(cè)試什么，尤其在板卡正常工作的情況下的電源/電壓/紋波/時(shí)序，業(yè)務(wù)接口的眼圖/模板，內(nèi)部數(shù)據(jù)總線的信號(hào)完整性和時(shí)序(如MII， RGMII， XAUI， PCIe，PCM bus， Telecom Bus， SERDES， UART等等)，CPU子系統(tǒng)(如時(shí)鐘，復(fù)位，SDRAM/DDR，F(xiàn)LASH接口)。
好的硬件工程師無論是做的文檔還是報(bào)道都是令人一目了然，這個(gè)硬件系統(tǒng)需要用什么方案和電路，最后驗(yàn)證測(cè)試的結(jié)果如何。內(nèi)容詳實(shí)，不遺漏各種接口/電路;簡(jiǎn)單名了，不說廢話;圖文并茂，需要的時(shí)候一個(gè)時(shí)序圖，一個(gè)示波器抓圖就很能說明問題了。
4. 儀表/軟件的使用能力：
儀表包括電烙鐵，萬用表，示波器，邏輯分析儀，誤碼儀，傳輸分析儀，以太網(wǎng)測(cè)試儀Smartbits/IXIA，熱量計(jì)，衰減器，光功率計(jì)，射頻信號(hào)強(qiáng)度計(jì)等等;軟件包括Office(Outlook，Word， Excel， PowerPoint， Project， Visio)，PDF，常用原理圖軟件Pads或者OrCAD，常用PCB軟件Pads或者Allegro，Allegro Viewer，電路仿真軟件PSPICE，信號(hào)仿真軟件HyperLynx等等。
無論儀表還是軟件，在政治經(jīng)濟(jì)學(xué)里說都是生產(chǎn)工具，都是促進(jìn)生產(chǎn)力提高的，作為硬件工程師來說，這些儀表和軟件就是手中的木。倉(cāng)炮，硬件工程師很大一部分能力的體現(xiàn)都在與儀表和軟件的使用上，尤其對(duì)于原理圖軟件和示波器的使用，更是十分重要，原理圖軟件的使用是硬件設(shè)計(jì)的具體實(shí)現(xiàn)，通過一個(gè)個(gè)器件的擺放，一個(gè)個(gè)NET的連接，構(gòu)成了是十分復(fù)雜的硬件邏輯軟件，是整個(gè)硬件設(shè)計(jì)的核心工作，任何一個(gè)原理圖上的失誤和錯(cuò)誤造成的損失都是巨大的，真是“如履薄冰，戰(zhàn)戰(zhàn)兢兢”。
另外，原理圖軟件的使用還體現(xiàn)在原理圖的美觀上，好的設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)單明了，注釋明確，無論是誰，順著思路就能很快搞清楚設(shè)計(jì)意圖，需要特別注意之處，不好的設(shè)計(jì)，東一個(gè)器件，西一個(gè)器件，沒有邏輯，命名怪異，難以理解，日后維護(hù)起來相當(dāng)麻煩;示波器在所有測(cè)試儀表之中，對(duì)于硬件工程師是最重要的，無論原理圖還是PCB都是設(shè)計(jì)工作，但是任何設(shè)計(jì)都需要仔細(xì)的驗(yàn)證測(cè)試，尤其在信號(hào)方面，都需要大量的示波器工作，不會(huì)正確的使用示波器根本談不上正確的驗(yàn)證，接地有沒有接好，測(cè)試點(diǎn)的選擇，觸發(fā)的選擇，延時(shí)的選擇，幅度、時(shí)間的選擇，都決定著測(cè)試的結(jié)果。如果錯(cuò)誤的使用示波器必然帶來錯(cuò)誤的測(cè)試結(jié)果，這種情況下，有可能本來是錯(cuò)誤的設(shè)計(jì)被誤認(rèn)為是正確的，帶來巨大的隱患;本來是正確的設(shè)計(jì)被誤認(rèn)為是錯(cuò)誤的，帶來大量的時(shí)間精力浪費(fèi)。
5. 電路設(shè)計(jì)的能力：
隨著芯片集成度的提高，硬件設(shè)計(jì)似乎變簡(jiǎn)單了。首先是邏輯連接，其次考慮信號(hào)完整性需要的串行電阻選擇和并行電容選擇，電源濾波，退耦。不過對(duì)于好的硬件工程師來說，簡(jiǎn)單的邏輯連接(這個(gè)芯片的同樣總線的輸出接另一個(gè)芯片的輸入，等等)，只是硬件設(shè)計(jì)的最基本技能，電路是芯片功能，通信協(xié)議和各種軟件的載體，沒有對(duì)電路的深入理解，根本談不上對(duì)硬件設(shè)計(jì)的深入理解，尤其對(duì)于芯片后面列的電氣性能參數(shù)或者離散器件各種參數(shù)的理解，胡亂亂接，可能在3.3V的總線上可以工作，但是現(xiàn)在工作電壓已經(jīng)降到1V了，什么概念，信號(hào)線上的噪聲都已經(jīng)大到可以使采樣出現(xiàn)誤判了，隨著信號(hào)速率的提高和工作電壓的降低，數(shù)字信號(hào)已經(jīng)越來越模擬化了，這就需要對(duì)于PCB的阻抗，容抗，感抗，離散器件(電阻，電容，電感，二極管，三極管，MOSFET，變壓器等)，ASIC的接口電氣參數(shù)深入了解，這都需要對(duì)電路原理，模擬電路甚至電磁場(chǎng)理論深入學(xué)習(xí)，電路可以說是電磁場(chǎng)理論的子集，沒有電磁場(chǎng)理論的理解，根本談不上對(duì)于電容，電感，串?dāng)_，電磁輻射的理解。
尤其對(duì)于電源電路設(shè)計(jì)上，現(xiàn)在芯片電壓多樣化，電壓越來越低，電流越來越大，運(yùn)營(yíng)商對(duì)于通信設(shè)備功耗的嚴(yán)格要求，散熱要求，對(duì)于電源設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)越來越大？梢哉f，對(duì)于一個(gè)硬件設(shè)計(jì)來說，40%的工作都是在于電源電路的原理圖/PCB設(shè)計(jì)和后期測(cè)試驗(yàn)證，電源電路設(shè)計(jì)是硬件工程師電路能力的集中體現(xiàn)，各種被動(dòng)器件、半導(dǎo)體器件、保護(hù)器件、DC/DC轉(zhuǎn)換典型拓?fù)，都有很多參?shù)，公式需要考慮到，計(jì)算到。
6. 溝通和全局控制的能力：
硬件工程師在一個(gè)硬件項(xiàng)目中，一般處于Team leader的作用，要對(duì)這個(gè)硬件項(xiàng)目全權(quán)負(fù)責(zé)，需要協(xié)調(diào)好PCB工程師，結(jié)構(gòu)工程師，信號(hào)完整性工程師，電磁兼容工程師等各種資源，并與產(chǎn)品經(jīng)理，項(xiàng)目經(jīng)理，軟件工程師，生產(chǎn)工程師，采購(gòu)工程師緊密配合，確保各個(gè)環(huán)節(jié)按部就班，需要對(duì)整個(gè)項(xiàng)目計(jì)劃了然于胸，各個(gè)子任務(wù)的發(fā)布時(shí)間，對(duì)于可能出現(xiàn)的技術(shù)難題和風(fēng)險(xiǎn)的估計(jì)，控制。
對(duì)于外部來說，硬件工程師還要與芯片的分銷商，F(xiàn)AE處理好關(guān)系，爭(zhēng)取獲得更大的技術(shù)支持和幫助;與EMC實(shí)驗(yàn)室，外部實(shí)驗(yàn)室打好交道，獲得更靈活的測(cè)試時(shí)間和更多的整改意見。
寫這篇文章，只是自己的個(gè)人看法，并不代表每個(gè)人按照這個(gè)方法都能成功，畢竟這個(gè)世界很多事情都沒有參考性，但是，總的來說保持長(zhǎng)期學(xué)習(xí)的態(tài)度，有一顆愛崗敬業(yè)的心，然后深入研究，誰都能成功的!
編輯：admin 最后修改時(shí)間：2018-01-05
